JP2009270721A - ロータリージョイントにおける軸シール部材の使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 シリコンウエーハの研磨装置に使用して、優れたシール性を確保できるロータリジョイントにおける軸シール方法を提供する。
【解決手段】 複数の環状部材１３を軸方向に積層して筒体１０を構成する。各環状部材１３に径方向流路１３ａを設ける。筒体１０の内側に回転自在に嵌合する軸体２０に、複数の環状部材１３に対応する複数の軸方向流路２１を設ける。隣接する環状部材１３，１３間に押圧保持された軸シール部材３０により、軸体２０の外周面との間をシールする。軸シール部材３０として、環状の保持部の内面側に、環状のリップ部が軸方向へ傾斜して一体的に設けられた単一リップ構造のゴムシールを用いる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、研磨装置における砥液供給等に好適に使用されるロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法に関する。

半導体デバイスの素材であるシリコンウエーハは、シリコン単結晶から切り出された後にラッピングを受け、更にポリッシングと呼ばれる研磨処理を受ける。この研磨処理は、上下の回転定盤間で複数のキャリアが公転しながら或いは定位置で自転することにより、複数のキャリアに保持された複数のウエーハの各表面が同時に研磨される。

このとき、上下の回転定盤間には研磨用の砥液が供給される。この砥液の供給は、回転定盤の回転軸を通して行われるため、ロータリジョイントを必要とする。シリコンウエーハ研磨用の回転定盤間への砥液供給に使用されるロータリジョイントの従来例を図４に示す。

この従来例では、固定軸である円筒形状の筒体１の内側に、回転定盤の回転軸と連結される円筒形状の軸体２が、軸受を介して回転自在に嵌合している。筒体１には、配管のねじ込み部を兼ねる複数の径方向流路３，３・・が軸方向に所定の間隔で設けられている。筒体１の内周面には、径方向流路３，３・・に連通する周方向流路４，４・・が設けられると共に、環状の軸シール部材５が嵌合する周溝６が、径方向流路４の軸方向両側に位置して設けられている。

一方、軸体２には、複数の軸方向流路７，７・・が周方向に所定の間隔で設けられている。軸方向流路７，７・・の一端は軸体２の一端面に開口している。軸方向流路７，７・・の他端は、筒体１の周方向流路４，４・・に各対応するように、軸体２の外周面の軸方向複数位置に開口している。そして、筒体１の内周面と軸体２の外周面との間が、周溝６，６・・に嵌合する軸シール部材５，５・・によりシールされている。

砥液は、固定軸である筒体１の外側から径方向流路３，３・・を通ってその内の周方向流路４，４・・へ供給される。周方向流路４，４・・へ供給された砥液は、回転定盤の回転軸と連結された軸体２の対応する軸方向流路７，７・・を通り、更に回転軸内を通って回転定盤間へ送給される。筒体１の内周面と軸体２の外周面との間をシールする軸シール部材５，５・・としては、断面がＸ形状のいわゆるＸシールが使用されている。

このようなロータリジョイントを用いることにより、回転定盤の回転軸を通して回転定盤間へウエーハ研磨用の砥液が供給される。しかしながら、ウエーハ研磨用の砥液は、細かな砥粒を多く含む腐食性の液体であり、軸シール部材を腐食、磨耗させやすいという本質的な問題がある。加えて、ウエーハ汚染を防止するために、潤滑油を使えないという厳しい制約もある。これらのため、軸シール部材の寿命が他の流体を流通させる場合と比べて極端に短くなるという問題がある。

また、ロータリジョイントの筒体には、フッ素系樹脂等の耐腐食性樹脂を使用することが要求されている。これは、ウエーハの金属汚染を防止するために、金属の使用を極力控えることが推奨されていることによる。しかしながら、ロータリジョイントの筒体に樹脂を使用すると、軸体の外周面への軸シール部材の押し付け圧力（面圧）を十分に上げることができないという制約が生じる。なぜなら、この面圧を上げると、軸シール部材の発熱が顕著となり、筒体の使用限界温度を超えるからである。この樹脂の使用に伴う面圧制限のため、軸シール部材が内側の軸体と共に回転するいわゆる共回りを生じ、シール機能を十分に発揮できないという問題が発生する。

本発明の目的は、軸シール部材を低面圧で使用する場合にも、優れたシール性を確保できるロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法は、複数の環状部材を軸方向に積層して構成され、各環状部材に径方向流路が設けられた筒体と、該筒体の内側に回転自在に嵌合し、前記筒体を構成する複数の環状部材に対応するように外周面の軸方向の異なる位置に開口する複数の軸方向流路が設けられた軸体との間をシールために、前記筒体において隣接する複数の環状部材間に、前記軸体の外周面との間をシールする軸シール部材をそれぞれ保持するものである。

本発明のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法においては、筒体が軸方向に積層された複数の環状部材により構成され、軸体の外周面との間をシールする複数の軸シール部材が筒体の隣接する環状部材間に挟持される。即ち、複数の軸シール部材は、筒体を構成する複数の環状部材を軸方向で締め付けることにより、隣接する環状部材間に保持される。このため、軸体の外周面に対する軸シール部材の押し付け圧力（面圧）が小さい場合にも、軸シール部材の共回りが防止され、優れたシール機能が得られる。

前記筒体は、隣接する環状部材間に内面側に開放する周溝を有しており、該周溝内に前記軸シール部材を保持する構成が好ましい。

前記軸シール部材としては、環状の保持部の内面側に、軸方向に傾斜した環状のリップ部が一体的に設けられた単一リップ構造のゴムシールが好ましく、特に、一組のゴムシールをそれぞれのリップ部が相反する側へ傾斜するように背中あわせに組み合わせた使用形態が好ましい。

前記軸体は、外周面に平滑硬化層を有する構成が、軸シール部材の磨耗抑制の点から好ましい。

前記環状部材は非金属、なかでも樹脂からなる構成が好ましい。樹脂の使用に伴う面圧低下によっても、軸シール部材の共回りが防止されることは上述したとおりである。

本発明のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法は、軸方向に積層された複数の環状部材により外側の筒体を構成し、内側の軸体の外周面との間をシールする複数の軸シール部材を筒体の隣接する環状部材間に挟持することにより、軸シール部材の押し付け圧力（面圧）が小さい場合にも、軸シール部材の共回りを防止でき、優れたシール性を確保できる。

本発明の実施形態を示すロータリジョイントの一部破断立面図である。 同ロータリジョイントの平面図である。 同ロータリジョイントに使用された軸シール部材の縦断面図である。 従来のロータリジョイントの一部破断立面図である。

以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

本実施形態においては、ロータリジョイントは、半導体ウエーハ研磨用の研磨装置に使用される。より具体的には、ウエーハを研磨する回転定盤間への砥液供給、洗浄水の供給及び下側の回転定盤側へウエーハを吸着保持するための真空引きなどにに使用される。

このロータリジョイントは、図１及び図２に示すように、固定軸である円筒形状の筒体１０と、筒体１０内に回転自在に挿入された円筒形状の軸体２０と、両者の間をシールする複数の軸シール部材３０，３０・・とを備えている。

筒体１０は、上下の端板としての環状部材１１，１２と、環状部材１１，１２間に同心状に積層された複数の環状部材１３，１３・・と、これらを軸方向で締め付けて固定する複数本のボルト１４とを備えた積層構造である。後で詳しく説明するが、砥液等の流体は、筒体１０の外側からその内側の軸体２０に供給される。

環状部材１１，１２及び環状部材１３，１３・・はいずれもフッ素樹脂からなる。各環状部材１３の円周方向の一部には、当該環状部材１３を半径方向に貫通する径方向流路１３ａが設けられている。径方向流路１３ａの入口部分は配管のねじ込み部を兼ねている。複数の環状部材１３，１３・・に接続される配管の干渉を回避するために、それぞれの径方向流路１３ａ，１３ａ・・は交互に相反する側を向いている。

最上段の環状部材１１の内縁部下面には、位置決め用の環状突起が設けられている。また、この環状部材１１の下端部内周面には、断面が逆Ｌ状の切り込みが全周にわたって設けられている。この切り込みは、下側の環状部材１３の上面で下側から閉塞されることにより、１組の軸シール部材３０，３０を収容するための周溝１１ａを、環状部材１１の下端部内周面に形成する。

図３に示すように、各環状部材１３の内縁部下面には、位置決め用の環状突起１３ｄが設けられている。各環状部材１３の内縁部上面には、上側の位置決め用の環状突起が嵌合する環状凹部１３ｅが設けられている。各環状部材１３の内周面には、径方向流路１３ａと連通する周方向流路１３ｂ（図１参照）が設けられている。各環状部材１３の下端部内周面には、断面が逆Ｌ状の切り込みが全周にわたって設けられている。この切り込みは、下側の環状部材１３或いは環状部材１２の上面で下側から閉塞されることにより、１組の軸シール部材３０，３０を収容するための周溝１３ｃを、環状部材１３の下端部内周面に形成する。

最下段の環状部材１２の内縁部上面には、上側の環状部材１３の内縁部下面に形成された位置決め用の環状突起が嵌合する環状凹部が設けられている。

軸体２０は、上下の環状部材１１，１２の各内側に設けられた軸受５１，５２により、筒体１０の内側に、その内周面との間に環状ギャップを形成した状態で回転自在に支持されている。

この軸体２０には、複数の環状部材１３，１３・・の径方向流路１３ａ，１３ａ・・に対応する複数の軸方向流路２１，２１・・が、周方向に所定の間隔で設けられている。軸方向流路２１，２１・・の各上端は、軸体２０の上端面に開口している。軸方向流路２１，２１・・の各下端は、複数の環状部材１３，１３・・の内側に形成される環状ギャップに連通するように、軸体２０の外周面の軸方向の異なる部分に開口している。

軸体２０の両端支持部を除く外周面には、ハステロイ（商品名）又はステライト（商品名）等の高合金からなる平滑硬化層が溶射又は肉盛溶接等により形成されている。

軸シール部材３０は、図３に示すように、断面が角形で円環状の保持部３１の内面側に円環状のリップ部３２を一体的に設けた単一リップ構造のゴムシールである。環状のリップ部３２は、保持部３１の中心軸方向に傾斜している。より具体的には、シール性を高めるために、保持部３１の軸方向一端部を起点として他端部の側へ４５度以上、好ましくは６０〜８０度以上の角度で大きく傾斜しており、且つ先端部へ向かって厚みが漸減している。

この軸シール部材３０は、環状部材１１の周溝１１ａ及び環状部材１３，１３・・の周溝１３ｃ，１３ｃ・・に２個ずつ収容されている。より具体的には、２個の軸シール部材３０，３０が、それぞれのリップ部３２，３２を相反する上下へ傾斜させた、いわゆる背中合わせの姿勢で各周溝に挿入されている。２個の軸シール部材３０，３０の間には、保持部３１，３１の変形を防止するためにバックアップリング４０が配置されている。

ここで、周溝１１ａ，１３ｃの幅は、筒体１０の軸方向の締め付けによって軸シール部材３０，３０の保持部３１，３１が軸方向で十分に加圧されるように設計されている。一方、周溝１１ａ，１３ｃの深さは、軸シール部材３０，３０のリップ部３２，３２の比較的薄い先端部のみが軸体２０の外周面に面接触する程度の低面圧で、リップ部３２が軸体２０の外周面に押し付けられるように設計されている。

以上のように構成されたロータリジョイント、特にそのロータリジョイントに使用された軸シール部材の機能は以下のとおりである。

筒体１０は固定軸である。一方、軸体２０は回転し、上方に配置された下側の回転定盤の回転軸と連結されている。上下の回転定盤間で半導体ウエーハを研磨するとき、筒体１０を構成する複数の環状部材１３，１３・・の径方向流路１３ａ，１３ａ・・から周方向流路１３ｂ，１３ｂ・・を経て、軸体２０の外周面との間の各環状ギャップに砥液が供給される。各環状ギャップは、軸方向の両側に配置された２個ずつの軸シール部材３０，３０により、その両側でシールされることにより、環状の密閉空間となる。これにより、各環状ギャップに供給された砥液は、軸体２０の対応する軸方向流路２１，２１・・に流入し、軸体２０の上方に連結された回転軸内を上昇して上下の回転定盤間に供給される。

このとき、軸シール部材３０，３０は、リップ部３２，３２の先端部が低面圧で軸体２０の外周面に弾性的に面接触するが、先端部に応力が集中した面シール形態となり、しかも、リップ部３２，３２が砥液の供給圧力を受けることにより、リップ部３２，３２の先端部が軸体２０の外周面に対して自閉作用を示す。一方、軸シール部材３０，３０の保持部３１，３１が筒体１０の軸方向の締め付けにより強固に固定されているので、低面圧接触であるにもかかわらず、軸シール部材３０，３０の共回りが防止される。これらのため、低面圧であるにもかかわらず、高いシール性が確保される。

また、この高いシール性に加え、軸体２０の外周面に平滑硬化層が形成されることにより、砥液に含まれる砥粒の接触部への侵入が阻止される。このため、リップ部３２，３２の磨耗も顕著に抑制される。

更に、軸シール部材３０，３０が低面圧接触てあるため、発熱が抑制される。このため、筒体１０が樹脂からなるにもかかわらず、熱劣化が防止される。そして、筒体１０を非金属である樹脂製としたことにより、ウエーハの金属汚染が抑制される。

上下の回転定盤間でのウエーハ研磨が終わると、このロータリジョイントを介して回転定盤間に洗浄水を供給する。また、ウエーハ取り出しのために、上側の回転定盤を上昇させるが、このときにウエーハが上側の回転定盤と共に持ち上げられるのを防止するために、ウエーハを下側の回転定盤側へ吸着保持する。この吸着保持のために、ロータリジョイントを介して真空排気を行うことにより、回転定盤間のウエーハを下側の回転定盤側へ吸着する。

２個の軸シール部材３０，３０を背中合わせに組み合わせているので、軸方向の両側からの加圧に対して有効なシール性を示すだけでなく、この真空吸引に対しても有効なシール性を示す。

複数の環状部材１１，１２，１３，１３・・を積層して構成された筒体１０は、低面圧接触下での軸シール部材３０，３０の共回りを防止するだけでなく、軸シール部材３０，３０の組み込み作業を簡単にし、且つ、ポート数の変更等の設計変更も容易にする利点がある。

１０ 筒体
１１，１２，１３ 環状部材
１３ａ 径方向流路
１３ｂ 周方向流路
１３ｃ 周溝
１４ ボルト
２０ 軸体
２１ 軸方向流路
３０ 軸シール部材
３１ 保持部
３２ リップ部
４０ バックアップリング
５１，５２ 軸受

Claims (8)

1. 複数の環状部材を軸方向に積層して構成され、各環状部材に径方向流路が設けられた筒体と、該筒体の内側に回転自在に嵌合し、前記筒体を構成する複数の環状部材に対応するように外周面の軸方向の異なる位置で開口する複数の軸方向流路が設けられた軸体との間をシールために、前記筒体において隣接する複数の環状部材間に、前記軸体の外周面との間をシールする軸シール部材をそれぞれ保持することを具備することを特徴とするロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法。
2. 前記筒体は、隣接する環状部材間に内面側に開放する周溝を有しており、該周溝内に前記軸シール部材を保持することを特徴とする請求項１に記載のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法。
3. 前記軸シール部材は、環状の保持部の内面側に、軸方向へ傾斜した環状のリップ部が一体的に設けられた単一リップ構造のゴムシールである請求項１又は２に記載のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法。
4. 前記リップ部は、前記保持部の軸方向一端部を起点として他端部側へ４５度以上の角度で傾斜し、且つ基端部から先端部へ向かって厚みが漸減する請求項３に記載のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法。
5. 前記ゴムシールは、その一組をそれぞれのリップ部が相反する側へ傾斜するように背中あわせに組み合わせた構成であることを特徴とする請求項３又は４に記載のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法。
6. 前記軸体は、外周面に平滑硬化層を有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法。
7. 前記環状部材は非金属からなる請求項１〜６の何れかに記載のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法。
8. 前記非金属は樹脂である請求項７に記載のロータリジョイントにおける軸シール部材の使用方法。

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